某爬纜機器人結(jié)構(gòu)分析及改進

李笑寒

摘要：對某爬纜機器人的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，總結(jié)了影響爬纜機器人運動穩(wěn)定性的因素，研究彈簧預(yù)緊力、輪子與纜索間摩擦系數(shù)等參數(shù)對其驅(qū)動力矩的影響，根據(jù)分析結(jié)果對機器人系統(tǒng)進行研究及優(yōu)化。結(jié)果表明，較大的摩擦系數(shù)和彈簧預(yù)緊力可以提高爬纜機器人的運動穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)、預(yù)緊力對驅(qū)動力矩的影響較大。

關(guān)鍵詞：爬纜機器人；彈簧預(yù)緊力；運動穩(wěn)定性；摩擦系數(shù)

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0097-01

1 爬纜機器人結(jié)構(gòu)及工作原理分析

該爬纜機器人本體可以沿著不同傾斜度的纜索向上爬升，在高空纜索上完成檢查、清洗、去靜電以及一系列的維護工作。爬纜機器人本體上可以裝載其所需要的各個功能系統(tǒng)以完成其其相應(yīng)的工作任務(wù)。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

爬纜機器人爬升方式：該爬纜機器人利用彈簧壓緊的方式使整個機器人滑輪與纜索之間產(chǎn)生摩擦力，在三部大功率電動機驅(qū)動下驅(qū)動機器人本體向上爬行，整個爬纜機器人可以攀爬一定角度的纜繩。該機器人的功能是以一定速度在圓形的桿、纜索或其他相似形狀的物體上攀爬，而且能夠客服自身和攜帶檢測設(shè)備的重量并完成檢測、維護等基本功能。為了實現(xiàn)爬纜機器人的各項功能，要求爬纜機器人機體運動連續(xù)且平穩(wěn)，這樣才能確保其任務(wù)效果。綜合各方案的利弊，在擬采取電機連續(xù)驅(qū)動的同時，在機構(gòu)上盡量精簡的改進型機構(gòu)以減輕爬纜機器人重量。

1.2 爬纜機器人主要部件及部件間的連接關(guān)系

支撐機架。為使機器人各系統(tǒng)可靠連接并正常工作，支架必須要具有足夠的強度與剛度，采用“抱箍”式鋁材結(jié)構(gòu)，即使結(jié)構(gòu)輕便，又使得安裝拆卸方便。壓緊方式：為了使更好的克服重力作用帶動機器人有效怕生，盡量增加纜索表面法向力，爬纜機器人輪子壓緊方式采用彈簧阻尼器產(chǎn)生預(yù)壓緊力形式。滑動輪組：輪子采用的聚氨酯彈性體材料，不僅可以減輕機器人本體的重量，而且可以增大輪組與纜索表面的摩擦系數(shù)，增大摩擦力，同時能起到減小振動的作用。

該爬纜機器人主要部件之間的連接關(guān)系大致可分為固定副、旋轉(zhuǎn)副、齒輪副三種。固定副關(guān)系。該爬纜機器人固定副占據(jù)大多數(shù)，大致為機器人支架與機器人總體外殼的固定連接、彈簧壓緊系統(tǒng)部件的固定等等。旋轉(zhuǎn)副關(guān)系：旋轉(zhuǎn)副主要是與纜索直接接觸的9個輪子的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。9個輪子由3個主動輪和6個從動輪組成。齒輪副關(guān)系：齒輪副施加于發(fā)動機與主動輪的齒輪之間的嚙合關(guān)系以通過發(fā)動機的驅(qū)動力矩輸出帶動主動輪的轉(zhuǎn)動。

1.3 爬纜機器人的組成及工作原理

爬纜機器人主要分為主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和檢測設(shè)備組成。本文主要研究主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由支撐機架、滑輪組、電機、彈簧阻尼器等組成。從設(shè)計要求出發(fā)，新型爬纜機器人如圖1所示。該爬纜機器人由三個電機帶動減速機構(gòu)驅(qū)動主動輪，帶動從動輪一起運動，由彈簧預(yù)緊力的作用，輪組與纜索之間產(chǎn)生摩擦力作用，從而帶動整個機器人向上運動，其特點是機構(gòu)簡單、體積小、自重輕、裝卸方便等。

2 爬纜機器人設(shè)計分析及優(yōu)化

通過對爬纜機器人的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，得到影響機器人穩(wěn)定性和爬行能力的主要參數(shù)，從下面幾個方面分析各參數(shù)對機器人整體性能的影響：彈簧力，滑輪與纜索間的摩擦系數(shù)等方面來研究，進而對爬纜機器人整體模型進行優(yōu)化分析。

影響爬纜機器人運動穩(wěn)定性及爬行里的因素。根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，主要影響因素為：本體的結(jié)構(gòu)，本體結(jié)構(gòu)零件的質(zhì)量，驅(qū)動電機的參數(shù)和功率，結(jié)構(gòu)的抗磨損、抗變形能力，零件制造的尺寸精度，形狀位置精度及裝配調(diào)整質(zhì)量對機構(gòu)運動的影響，運動副間隙、摩擦、潤滑條件等。

在驅(qū)動電機連續(xù)工作下爬纜機器人在工作過程中會繞纜索旋轉(zhuǎn)，從而螺旋上升，造成工作的不穩(wěn)定以及輔助功能的無法完成，是爬纜機器人設(shè)計中的一個主要問題。主要原因：其一是結(jié)構(gòu)中用到了三個驅(qū)動電機、但三個電機運動不同步；其次是爬纜機器人本身的重力偏置產(chǎn)生扭矩，在該扭矩作用下機器人繞纜索軸線轉(zhuǎn)動；由于纜索表面擾度及不規(guī)則性和纜索機器人高處受風(fēng)振影響。本研究假設(shè)爬纜機器人不受上面三個方面因素影響的情況下，考察彈簧壓緊力、摩擦系數(shù)等對機器人穩(wěn)定性和爬行能力的影響。

3 結(jié)語

爬纜機器人作為一種特種機器人，將伴隨著經(jīng)濟大局與橋梁事業(yè)的進步發(fā)展被應(yīng)用于更多的生產(chǎn)當中，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟效益與社會作用。通過比較不同參數(shù)下爬纜機器人模型運動旋轉(zhuǎn)問題及爬行能力，研究對爬纜機器人運動穩(wěn)定性及爬行能力的影響因素。通過對爬纜機器人分析結(jié)果表明，較大的摩擦系數(shù)和預(yù)緊力可以提高爬纜機器人的運動穩(wěn)定性。未來，爬纜機器人隨著新能源的開發(fā)和新的設(shè)計發(fā)生變化：質(zhì)量輕負載能力加強、移動速度更穩(wěn)定、使用新材料將改變爬纜移動機器人吸附方式、新傳感器可以使機器人的更加智能等。

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